基于TI Sitara系列AM5728工业开发板——FPGA视频开发案例分享
原创
前 言
本文主要介绍FPGA视频开发案例的使用说明，适用开发环境：Windows 7/10 64bit、Xilinx Vivado 2017.4、Xilinx SDK 2017.4。
评估板简介
创龙科技TL5728F-EVM是一款基于TI Sitara系列AM5728（双核ARM Cortex-A15 +浮点双核DSP C66x） + Xilinx Artix-7 FPGA处理器设计的高端异构多核评估板，由核心板与评估底板组成。AM5728与Artix-7在核心板内部通过GPMC、I2C通信总线连接，在评估底板通过PCIe通信总线连接。核心板经过专业的PCB Layout和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。评估板接口资源丰富，引出双路千兆网口、双路SFP光口、USB 3.0、CAN、RS485、SATA、HDMI、GPMC、FMC等接口，方便用户快速进行产品方案评估与技术预研。
在进行本文如下操作前，请先按照调试工具安装文档安装Xilinx Vivado开发工具包。本文默认使用创龙科技的TL-DLC10下载器进行操作演示。
根据评估底板丝印将Artix-7的BOOT SET拨码开关(SW3)拨至01(1~2)，此档位为SPI FLASH启动模式（此模式可进行程序在线加载、固化并离线启动），并将评估板通过下载器正常连接至PC机。
图 1
cameralink_display案例
cameralink_display案例分为FPGA程序与MicroBlaze裸机程序两部分。FPGA程序位于产品资料“4-软件资料\Demo\FPGA_Demo\All-Programmable-FPGA-demos\cameralink_display\hw\”目录下，包含project和bin两个目录。基于MicroBlaze软核的裸机程序位于产品资料“4-软件资料\Demo\All-Programmable-FPGA-demos\cameralink_display\sw\baremetal_demo”目录下，包含project和bin两个目录。
案例功能
案例功能：评估板通过FMC视频模块TLCameraLinkF的CameraLink接口采集分辨率为1280 x 1024的视频，并通过TLCameraLinkF模块的HDMI OUT接口输出采集到的视频。
图 2 程序功能框图
本案例FPGA程序支持CameraLink Full模式（工程为cameralink_display_full_xx）与CameraLink Base模式（工程为cameralink_display_base_xx）。
Full模式工程编译后生成的可执行文件为cameralink_display_full_xx.bit，Base模式工程编译后生成的可执行文件为cameralink_display_base_xx.bit。
操作说明
本案例支持三款CameraLink相机，具体说明如下。
表 1
Full模式硬件连接方法
如采用Full模式，请将创龙科技的TLCameraLinkF模块连接至评估板FMC接口，评估板J1跳线帽选择1.8V档位，以配置FMC IO的BANK电压为1.8V。
请将CameraLink相机的CL0通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的CameraLink1接口，将CameraLink相机的CL1通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的CameraLink2接口，将HDMI显示屏通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的HDMI OUT接口。
图 3
Base模式硬件连接方法
如采用Base模式，请将创龙科技的TLCameraLinkF模块连接至评估板FMC接口，评估板J1跳线帽选择1.8V档位，以配置FMC IO的BANK电压为1.8V。
请将CameraLink相机的CL0通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的CameraLink1接口，将HDMI显示屏通过数据线连接至TLCameraLinkF模块的HDMI OUT接口。
图 4
下面对三款不同型号的CameraLink相机在Full/Base模式下的操作步骤进行说明。
- 黑白CameraLink相机RS-A5241-CM107-S00，Full模式
请运行Full模式程序，即可看到串口调试终端打印如下信息。请先输入"1"选择相机型号为RS-A5241-CM107-S00，再输入"1"选择为Full模式。配置完成后，即可看到HDMI显示屏输出黑白图像。
图 5
图 6
- 彩色CameraLink相机RS-A5241-CC107-S00，Full模式
请运行Full模式程序，即可看到串口调试终端打印如下信息。请先输入"2"选择相机型号为RS-A5241-CC107-S00，再输入"1"选择为Full模式。配置完成后，即可看到HDMI显示屏输出彩色图像。
图 7
图 8
备注：由于彩色CameraLink相机RS-A5241-CC107-S00无白平衡功能，故图像颜色偏绿。
- 黑白CameraLink相机RS-A5241-CM107-S00，Base模式
请运行Base模式程序，即可看到串口调试终端打印如下信息。请先输入"1"选择相机型号为RS-A5241-CM107-S00，再输入"2"选择为Base模式。配置完成后，即可看到HDMI显示屏输出黑白图像。
图 9
图 10
- CameraLink相机RS-A5241-CC107-S00，Base模式
请运行Base模式程序，即可看到串口调试终端打印如下信息。请先输入"2"选择相机型号为RS-A5241-CC107-S00，再输入"2"选择为Base模式。配置完成后，即可看到HDMI显示屏输出彩色图像。
图 11
图 12
备注：由于彩色CameraLink相机RS-A5241-CC107-S00无白平衡功能，故图像颜色偏绿。
- 黑白CameraLink相机MVC1381SAM-CL60-S00，Base模式
请运行Base模式程序，即可看到串口调试终端打印如下信息。请输入"3"选择相机型号为MVC1381SAM-CL60-S00。配置完成后，即可看到HDMI显示屏输出黑白图像。
图 13
图 14
关键代码(MicroBlaze)
MicroBlaze裸机源码为"sw\baremetal_demo\project\cameralink_display\src\"，关键代码说明如下。
- main函数。
图 15
图 16
图 17
- 初始化VDMA，将采集到的视频数据缓存至DDR，再进行HDMI视频输出。
图 18
- 初始化Sil9022。
图 19
- 初始化AXIS Switch IP核。
图 20
- 初始化Sensor Demosaic IP核，以将彩色CameraLink相机的Bayer格式视频数据转化为RGB格式。
图 21
- 初始化Video Mixer IP核。
图 22
Vivado工程说明
点击BLOCK DESIGN开发界面下的"Address Editor"选项，可查看IP核分配的地址，MicroBlaze可通过对应地址对IP核进行控制。
图 23
本案例分别支持CameraLink Full模式（工程为cameralink_display_full_xx）与CameraLink Base模式（工程为cameralink_display_base_xx）。两者区别如下：
- Full模式Vivado工程：Pixels Per Clock配置为8，即每个时钟8个像素。
- Base模式Vivado工程：Pixels Per Clock配置为2，即每个时钟2个像素。
图 24 Full模式
图 25 Base模式
CameraLink Full模式Vivado工程顶层文件为"hw\project\cameralink_display_full_xx\cameralink_display.srcs\sources_1\imports\hdl\cameralink_display_full.v"。
CameraLink Base模式Vivado工程顶层文件为"hw\project\cameralink_display_base_xx\cameralink_display.srcs\sources_1\imports\hdl\cameralink_display_base.v"。
关键代码说明如下。
- 定义模块接口。
图 26
- 使用STARTUPE2原语输出复位信号。
图 27
- 调用Block Design。
图 28
模块/IP核配置
lvds_n_x_1to7_sdr_rx模块
本案例使用lvds_n_x_1to7_sdr_rx模块将CameraLink相机输入的差分视频数据转化成并行视频数据。
lvds_n_x_1to7_sdr_rx模块开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《xapp585-lvds-source-synch-serdes-clock-multiplication.pdf》。lvds_n_x_1to7_sdr_rx模块源码文件为Vivado工程"cameralink_display.srcs\sources_1\imports\hdl\lvds_n_x_1to7_sdr_rx.v"，具体配置说明如下。
- delay_refclk_in接入由Clocking Wizard输出的200MHz参考时钟。
图 29
- 配置N（通道数量）为3对应Full模式，配置N为1则对应Base模式。配置X为4，表示“每个通道的数据差分对数量为4”。
- Base模式：单通道，每通道数据差分对为4组，需1个连接器。
- Medium模式：双通道，每通道数据差分对为4组，需2个连接器。
- Full模式：三通道，每通道数据差分对为4组，需2个连接器。
图 30
cameralink_bit_allocation_rx模块
本案例使用cameralink_bit_allocation_rx模块将转化后的并行视频数据进行重组，分离出行同步信号、场同步型号、数据有效信号和像素数据。
cameralink_bit_allocation_rx模块源码为Vivado工程"cameralink_display.srcs\sources_1\imports\hdl\cameralink_bit_allocation_rx.v"，具体配置与关键代码说明如下。
- 配置N（通道数量）为3对应Full模式，配置N为1则对应Base模式。
- Base模式：单通道，输出端PortA、PortB、PortC有效。
- Medium模式：双通道，输出端PortA、PortB、PortC、PortD、PortE、PortF有效。
- Full模式：三通道，输出端PortA、PortB、PortC、PortD、PortE、PortF、PortG、PortH有效。
图 31
- data_in的数据排列格式。
下图为Base模式单通道4组差分对图像数据排列，例如TxIN[7:6]对应D[0:1]，TxIN[4:0]对应D[2:6]。
图 32
将Base模式单通道4组差分对图像数据保存在data_in数组的排列顺序如下。
图 33
- 分离行同步信号、场同步信号、数据有效信号和像素数据。
根据CameraLink V2.0协议，RX24对应行有效信号LVAL（行同步信号），RX25对应帧有效信号FVAL（场同步信号），RX26对应数据有效信号DVAL，具体对应关系如下。
图 34
根据上图说明，即可将行同步信号、场同步型号、数据有效信号和像素数据进行分离。
图 35
VDMA IP核
本案例使用VDMA IP核进行视频数据缓存。
VDMA(AXI Video Direct Memory Access) IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg020_axi_vdma.pdf》。
VDMA IP核寄存器列表如下，其中S2MM_xx将视频数据缓存至DDR，MM2S_xx将视频数据从DDR中取出。
图 36
图 37
VDMA IP核具体配置说明如下。
- Frame Buffers配置为4个。
- Write Burst Size、Read Burst Size均配置为128。
- 读通道的Stream Date Width配置为8。
- 读/写通道的Line Buffer Depth均配置为2048。
图 38
- 点击Advanced，保持默认配置，即可避免VDMA同时读写同一个Buffer，造成视频数据传输乱码。
图 39
Video In to AXI4-Stream IP核
本案例使用Video In to AXI4-Stream IP核将并行视频信号转换为AXI4-Stream视频流。
Video In to AXI4-Stream IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg043_v_vid_in_axi4s.pdf》，具体配置说明如下。
- Full模式：Pixels Per Clock配置为8，即每个时钟8个像素。Base模式：Pixels Per Clock配置为2，即每个时钟2个像素。
- 视频格式配置为Mono/Sensor。
- 数据位宽配置为8bit。
图 40
AXI4-Stream to Video Out IP核
本案例使用AXI4-Stream to Video Out IP核将AXI4-Stream视频流转化为并行视频信号。
AXI4-Stream to Video Out IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg044_v_axis_vid_out.pdf》，具体配置说明如下。
- FIFO Depth配置为2048。
- Clock Mode配置为Independent（独立时钟）。
图 41
Video Mixer IP核
本案例使用Video Mixer IP核将视频数据叠加到1920 x 1080分辨率的视频中。
Video Mixer IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg243-v-mix-v2.0.pdf》，具体配置说明如下。
Mixer通过MicroBlaze配置寄存器进行使能。
图 42
- Number of Layers配置为3，其中Master Layer(s_axis_video)未使用，仅使用Layer1(s_axis_video1)与Layer2(s_axis_video2)。当采集黑白CameraLink相机的图像时，使用Layer1；当采集彩色CameraLink相机的图像时，使用Layer2。
- 配置可支持的最大分辨率为1920 x 1080。
图 43
VTC IP核
本案例使用VTC IP核产生用于视频输出的时序。
VTC(Video Timing Controller) IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg016_v_tc.pdf》，具体配置说明如下。
- 点击Detection/Generation，确保不勾选"Include AXI4-Lite Interface"及"Enable Detection"。
图 44
- 点击Default/Constant，Video Mode配置为1080p，其余配置保持默认。
图 45
Sensor Demosaic IP核
本案例使用Sensor Demosaic IP核将彩色CameraLink相机的Bayer格式视频数据转化为RGB格式。
Sensor Demosaic IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg286-v-demosaic.pdf》，具体配置说明如下。图像宽高以及Bayer的格式，通过MicroBlaze配置寄存器进行设置。
图 46
由于Sensor Demosaic IP核视频数据输出格式为RBG，因此使用AXI4-Stream Subset Converter IP核将RBG转换成RGB，再进行视频输出。
图 47
图 48
AXI4-Stream Switch IP核
本案例使用AXI4-Stream Switch IP核选择黑白或彩色CameraLink相机视频数据进行处理。
AXI4-Stream Switch IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg085-axi4stream-infrastructure.pdf》，具体配置说明如下。本案例通过MicroBlaze配置寄存器，选择将S00_AXIS（视频数据输入通道）路由到M00_AXIS（黑白CameraLink相机视频数据处理通道）或M01_AXIS（彩色CameraLink相机视频数据处理通道）。
- Number of slave interfaces配置为1，即配置1个Slave接口。
- Number of master interfaces配置为2，即配置2个Master接口。
- Use control register routing配置为Yes，即使能AXI4-Lite接口。
图 49
Vivado工程编译
申请IP核License
如需重新编译工程或打开Video Mixer IP核，需在Xilinx官网申请Video Mixer IP核的免费License，并将其正确导入。License申请与导入方法，请查阅调试工具安装文档相关章节，其它IP核无需License。
成功导入后，可在View License Status窗口发现新添加的License。
图 50
工程编译异常解决
本案例包含HLS IP核，由于Vivado工程文件路径过长，可能导致工程编译过程中出现如下错误。
图 51
可在Tcl Console窗口执行如下命令，重新生成HLS IP核相关文件，即可正常编译工程。
Vivado# foreach ip_in_proj [get_ips] {compile_c [get_ips cameralink_display_bd_v_demosaic_0_0]}
图 52
Vivado# foreach ip_in_proj [get_ips] {compile_c [get_ips cameralink_display_bd_v_mix_0_0]}
图 53
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